微重力下直接甲醇燃料电池阳极流场内两相流的实验研究

摘要

微重力科学应载人航天发展而迅速发展起来，是当今世界的前沿学科之一。微重力条件下的气液两相流动是空间技术领域必须解决的关键技术问题之一，具有重要的学术意义和重大的应用价值。 燃料电池是一种通过电化学反应持续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的发电装置，因其高比功率、高比能量，响应速度快、可大功率、长时间供电的特点，在航天领域中的应用又开始得到重视。 在空间微重力环境中，质子交换膜燃料电池内部伴有电化学反应的两相流动将呈现出和常规两相流动迥然不同的特性，给燃料电池气液管理提出了新的挑战，成为质子交换膜燃料电池技术发展中亟待解决的关键技术问题之一。 本文设计了透明的直接甲醇燃料电池，建立了燃料电池测试系统，并分别在常重力和微重力环境下利用可视化技术对直接甲醇燃料电池阳极两相流动以及流道内CO2气泡对电池性能的影响进行了研究。实验得到了微重力条件下直接甲醇燃料电池内部伴有电化学反应的气液两相流动图像和相应电性能等实验数据，揭示出了伴有化学反应的气液两相流特点、气泡生长与脱离规律以及重力因素对燃料电池性能的影响规律，为质子交换膜燃料电池在航天领域的应用提供了可靠的科学数据和设计与运控指导。 本文的主要工作及取得的主要成果如下：1.建立了短时微重力落塔实验专用直接甲醇燃料电池性能测试系统。该测试系统与作者自行设计的透明燃料电池以及落塔系统共同构成了微重力环境下直接甲醇燃料电池阳极流道可视化的研究平台。该实验系统在测量和采集燃料电池电性能输出的同时，可实时观察燃料电池内部的两相流动。 2.分别在常重力与微重力环境下，可视化研究了电流密度对直接甲醇燃料电池内CO2气泡和两相流流动的影响。研究表明，不管是在常重力条件下还是微重力条件下，随着电流密度增大，流道内气体量增多，气泡尺寸变大。但在微重力条件下，气泡的数量比常重力下明显增多，而且尺寸变大，气泡形状也由椭球形变为球形。同时，在微重力环境下电池的性能较常重力环境下有所下降，而且随着浓差极化程度的加深，性能下降的幅度越大。 3.分别在常重力与微重力环境下，对电池温度对直接甲醇燃料电池内CO2气泡和气液两相流流动的影响进行了可视化研究。实验结果表明，不管是在常重力下还是微重力条件下，随着电池温度的升高，流道内气体量增多，气泡尺寸变大。但在微重力条件下，气泡的数量比常重力下明显增多，而且尺寸明显变大，气泡形状也由椭球形变为球形，在高温时流道内有大的气弹生成。 4.对微重力环境不同电池温度下电池的电性能与常重力环境下的电性能进行了比较分析。在常重力环境下，升高电池的温度能增强催化剂的活性，强化反应物在电池内部的传递，提高质子交换膜的传导率，因而电池性能提高。在微重力环境下电池的性能较常重力环境下有所下降，温度越高性能下降的幅度越大。因此，在微重力环境下升高电池温度并不一定能提高电池的性能。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

第2章实验用燃料电池的设计与制造

第3章实验系统的设计、建立及调试

第4章不同电流密度下阳极气液两相流的可视化研究

第5章不同温度下阳极气液两相流的可视化研究

结论

参考文献

附录